數(shù)字邏輯電路精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王心剛， 賀 利， 張冬至， 姜文聰， 任旭虎

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

數(shù)字邏輯電路精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王心剛， 賀 利， 張冬至， 姜文聰， 任旭虎

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

數(shù)字邏輯電路綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)-汽車尾燈控制電路將《電工電子學(xué)》課程中數(shù)字邏輯電路部分的內(nèi)容融合于一體，作為一個(gè)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)作為理論課的大作業(yè)，通過(guò)小組合作的方式完成，保證高質(zhì)量的預(yù)習(xí)效果；學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，個(gè)人獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)時(shí)間由2學(xué)時(shí)改為4學(xué)時(shí)，保障學(xué)生有充分的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、優(yōu)化電路的時(shí)間。從學(xué)生提交的多種預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)方案以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中排除故障、優(yōu)化方案來(lái)看，該精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力。

數(shù)字邏輯電路； 汽車尾燈控制電路； 精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目； 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)； 工程實(shí)踐能力

0 引 言

通過(guò)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，各高校都在進(jìn)行探索和實(shí)踐，并取得了良好的效果[1-5]。我校目前也開啟了精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃，通過(guò)打造一個(gè)個(gè)具體的精品實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，全面提升我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[6]。在長(zhǎng)期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)電工電子學(xué)課程中數(shù)字邏輯電路內(nèi)容的梳理，設(shè)計(jì)了“數(shù)字邏輯電路綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)-汽車尾燈控制電路”作為精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目將兩個(gè)成熟的小型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行加工、提煉合成一個(gè)有設(shè)計(jì)情境的綜合實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目實(shí)施中改變觀念，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成，理論教學(xué)老師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分，以保證預(yù)習(xí)質(zhì)量；加長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，以保證學(xué)生有分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的時(shí)間；采取小組合作預(yù)習(xí)、個(gè)人獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，以保證每個(gè)學(xué)生都能得到鍛煉。通過(guò)這些措施使學(xué)生在查閱資料、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，促進(jìn)了師生之間、學(xué)生之間的交流，達(dá)到了高質(zhì)量培養(yǎng)素質(zhì)人才的目的。

1 精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)有時(shí)間的積淀和綜合性[7]。電工電子學(xué)[8]課程數(shù)字邏輯電路部分授課內(nèi)容主要包含組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，針對(duì)這兩部分內(nèi)容，開設(shè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)。一個(gè)是“組合邏輯電路的設(shè)計(jì)”，要求用與非門74LS00完成下列電路設(shè)計(jì)：①F=ABC、F=A+B等；②三變量表決電路的設(shè)計(jì)。另一個(gè)是“計(jì)數(shù)、譯碼和顯示電路”，要求用74LS90和74LS161實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器[9]。這兩個(gè)設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生鞏固理論授課的相關(guān)知識(shí)，但按精品實(shí)驗(yàn)的要求，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性和綜合性就顯得不夠了。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求過(guò)于明確，學(xué)生無(wú)需對(duì)知識(shí)進(jìn)行整合和篩選就能完成。

汽車尾燈控制電路包含了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)要求如下：假設(shè)汽車尾部左右兩側(cè)各4個(gè)指示燈(實(shí)驗(yàn)箱上用發(fā)光二極管模擬，仿真用PROBE模擬)。① 汽車正常運(yùn)行時(shí)指示燈全滅。② 汽車右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右側(cè)4個(gè)指示燈從左向右循環(huán)順序點(diǎn)亮。③ 汽車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左側(cè)4個(gè)指示燈從右向左循環(huán)順序點(diǎn)亮。④ 汽車剎車時(shí)兩側(cè)指示燈同時(shí)亮。⑤ 脈沖電路不需要設(shè)計(jì)，由實(shí)驗(yàn)箱提供。

選用汽車尾燈控制電路作為精品實(shí)驗(yàn)來(lái)建設(shè)，是因?yàn)樗幸韵?個(gè)特點(diǎn)。

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)性、綜合性強(qiáng)。汽車尾燈控制電路包含了數(shù)字電路的主要內(nèi)容，其設(shè)計(jì)要求只有電路功能的描述，學(xué)生為了完成任務(wù)就需要在宏觀上了解數(shù)字邏輯電路的所有內(nèi)容，將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行篩選和整合，在微觀上再把自己用到的內(nèi)容強(qiáng)化學(xué)習(xí)，最后得到項(xiàng)目方案。

(2) 巧設(shè)情景，激發(fā)學(xué)生制作電路的興趣。學(xué)生熟悉汽車，知道汽車尾燈的工作過(guò)程。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用汽車的形式展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生感到學(xué)有所用，引起學(xué)生興趣，提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路的積極性。

(3) 相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案易查閱，且具有多樣性。學(xué)生在查閱資料時(shí)可以方便查到用數(shù)字芯片、單片機(jī)、PLC等不同器件實(shí)現(xiàn)的汽車尾燈控制電路的方案，學(xué)生在看這些資料時(shí)有些雖然難以深刻理解，但可以達(dá)到開卷有益、開闊思路的效果。

2 精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施

2.1理論教學(xué)注重學(xué)生設(shè)計(jì)思維的訓(xùn)練

理論教學(xué)遵照先講解理論知識(shí)，再介紹相關(guān)芯片及其設(shè)計(jì)電路的思路，最后仿真演示應(yīng)用電路的順序組織授課內(nèi)容。

比如與或非等邏輯門講完后，會(huì)介紹相關(guān)芯片，讓學(xué)生用與非門實(shí)現(xiàn)F=A+B，并用Multisim仿真驗(yàn)證其正確性；分析了組合邏輯電路F=A⊕B⊕C的功能后，會(huì)介紹數(shù)據(jù)傳輸中如何判斷接收數(shù)據(jù)是否正確的方法—奇偶校驗(yàn)，此電路可以判斷是否有1位傳錯(cuò)；編碼器、譯碼器講完后，會(huì)介紹芯片74LS148、74LS138和74LS48，課堂上帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)6人病房呼叫系統(tǒng)，用7段數(shù)碼管顯示呼叫病人，課下要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上改造，用PROBE顯示呼叫病人，實(shí)現(xiàn)8人病房呼叫系統(tǒng)并仿真驗(yàn)證，學(xué)生實(shí)現(xiàn)的電路之一如圖1所示，從設(shè)計(jì)方案可以看出學(xué)生不僅掌握了設(shè)計(jì)思路，還熟練掌握了74LS148、74LS138芯片，為后面設(shè)計(jì)汽車尾燈控制電路做好了準(zhǔn)備；觸發(fā)器講完后，會(huì)介紹芯片74LS74、74LS175和74LS112，設(shè)計(jì)2/4/8計(jì)數(shù)器/分頻器以及4人搶答電路；計(jì)數(shù)器介紹芯片74LS161、74LS90及其應(yīng)用后，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)秒表等。

2.2小組合作預(yù)習(xí)、理論授課老師把關(guān)，保證預(yù)習(xí)的質(zhì)量

凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。做實(shí)驗(yàn)也不例外。預(yù)習(xí)不充分，實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題沒有解決思路，出現(xiàn)的異常現(xiàn)象不能深入思考背后的實(shí)質(zhì)，不利于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能提高。因此實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的重要性怎么強(qiáng)調(diào)也不過(guò)分。

電工電子學(xué)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分別是由不同老師授課的。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前完成，實(shí)驗(yàn)時(shí)交給實(shí)驗(yàn)老師。由于沒有督促，很多學(xué)生都是臨實(shí)驗(yàn)前匆匆完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。對(duì)于汽車尾燈控制電路，學(xué)生不經(jīng)過(guò)深思熟慮，很難完成預(yù)習(xí)報(bào)告。為了保證預(yù)習(xí)報(bào)告的質(zhì)量，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立自主的完成設(shè)計(jì)方案，對(duì)預(yù)習(xí)報(bào)告環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革。

在數(shù)字邏輯電路部分授課結(jié)束后，理論老師布置一個(gè)大作業(yè)，作業(yè)需完成的內(nèi)容則是設(shè)計(jì)汽車尾燈控制電路，即實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的內(nèi)容。采取小組合作預(yù)習(xí)方式，一個(gè)小組兩個(gè)人，可以本班組合，也可以與其他班組合，組合原則是志趣相投。建立QQ群，學(xué)生查閱資料后，與老師、同學(xué)交流，每組確定自己的方案，一周內(nèi)將作業(yè)提交給理論老師。大作業(yè)在理論課平時(shí)成績(jī)中占20%。

圖1 學(xué)生設(shè)計(jì)完成的8人病房呼叫系統(tǒng)仿真電路

為了更好地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，要求實(shí)現(xiàn)的方案需用實(shí)驗(yàn)室提供的芯片完成，芯片包括74LS00、74LS08、74LS20、74LS138、74LS90、74LS161、74LS112 、74LS175。應(yīng)用Multisim輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效率，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣與創(chuàng)新意識(shí)[10-12]。因此，要求學(xué)生方案設(shè)計(jì)出來(lái)后采用Multisim[13-15]仿真驗(yàn)證，并將仿真文件提交給理論老師。理論老師只檢查是否完成了設(shè)計(jì)要求，不評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣。

學(xué)生提交的設(shè)計(jì)方案有簡(jiǎn)單的有復(fù)雜的。對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案理論老師只是提醒學(xué)生思考是否還能簡(jiǎn)化，不否定其方案。由于篇幅有限，這里圖2～圖4只展示了學(xué)生設(shè)計(jì)的3種方案。從這3個(gè)方案可以看到學(xué)生活躍的設(shè)計(jì)思維。方案1和2設(shè)計(jì)思路巧妙，方案合理。大部分學(xué)生采用這種設(shè)計(jì)思路，只是在單元電路上有區(qū)別。比如方案1中，學(xué)生用3個(gè)與非門U12A、U13A、U14A實(shí)現(xiàn)或邏輯，用來(lái)選擇譯碼器74LS138的工作狀態(tài)；方案2中，學(xué)生用兩個(gè)二極管1N1202C實(shí)現(xiàn)或邏輯，用來(lái)選擇譯碼器74LS138的工作狀態(tài)，對(duì)于這個(gè)方案，理論老師需提醒學(xué)生在實(shí)際連電路時(shí)，二極管需要串聯(lián)一個(gè)合適阻值的電阻。還有的方案計(jì)數(shù)電路采用74LS90或74LS112實(shí)現(xiàn)，而不是用方案1和方案2中的74LS161實(shí)現(xiàn)。方案3理論可行，但實(shí)際并不這樣做，為什么不這樣做，在理論課上學(xué)生沒有找到答案，到了實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際完成電路時(shí)，按此方案做的學(xué)生深刻體會(huì)到，復(fù)雜的電路不僅使用器件、導(dǎo)線多，出故障也多，實(shí)驗(yàn)用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了方案簡(jiǎn)單的同學(xué)，按此方案設(shè)計(jì)的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室都對(duì)該方案進(jìn)行了修改。

2.3個(gè)人獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，保證每個(gè)學(xué)生得到鍛煉

圖2 學(xué)生設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制電路之方案1

小組合作預(yù)習(xí)可以解決個(gè)人知識(shí)儲(chǔ)備不足，時(shí)間短、任務(wù)重的問(wèn)題。為了避免搭便車的現(xiàn)象，到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)時(shí)，個(gè)人獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、搭建實(shí)驗(yàn)電路、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。采取這種實(shí)驗(yàn)方式既可以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神，又督促了每個(gè)人在小組預(yù)習(xí)中積極參與，熟悉設(shè)計(jì)方案的工作原理，為個(gè)人順利完成實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

2.4延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，讓學(xué)生沉心靜氣地完成實(shí)驗(yàn)

汽車尾燈控制電路是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的工作量增加不少，因此，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間由2學(xué)時(shí)改為4學(xué)時(shí)，保證學(xué)生有充足的時(shí)間搭建電路、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、改進(jìn)電路。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄表，引導(dǎo)學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將遇到的問(wèn)題和解決的方案記錄下來(lái)。

一個(gè)預(yù)習(xí)方案為圖3所示方案的學(xué)生，他的實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄表中的活動(dòng)內(nèi)容如下所示：①檢查導(dǎo)線通斷；②連計(jì)數(shù)器電路，顯示正確；③連接完成實(shí)驗(yàn)電路；④接通電源，操作開關(guān)，發(fā)現(xiàn)指示燈能夠閃爍；⑤發(fā)現(xiàn)電路有問(wèn)題，都接高電位不亮，都接低電位全亮，并且一個(gè)開關(guān)能控制兩邊燈的點(diǎn)亮；⑥檢查整改電路。簡(jiǎn)化電路，將與非門U12A去掉，換成一根導(dǎo)線，在兩個(gè)二極管后面接一個(gè)1 kΩ電阻，將單刀雙擲開關(guān)換成0、1位開關(guān)；⑦驗(yàn)證電路，電路運(yùn)行正常，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

充足的時(shí)間使得學(xué)生可以沉心靜氣地完成實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，優(yōu)化電路。做完實(shí)驗(yàn)后，該同學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的仿真電路如圖5所示。相比圖3所示方案，圖5的方案更簡(jiǎn)化，更合理。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制電路之方案2

圖4 學(xué)生設(shè)計(jì)的汽車尾燈控制電路之方案3

圖5 學(xué)生優(yōu)化的方案

3 結(jié) 語(yǔ)

汽車尾燈控制電路將電工電子學(xué)課程中數(shù)字電路的內(nèi)容融合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于沒有數(shù)字電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)其難度是很大的。教師需改變重理論、輕實(shí)驗(yàn)的觀念，改革理論授課方式，課堂上訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，為順利完成實(shí)驗(yàn)打下理論基礎(chǔ)。從實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)到實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的完成充分融入主體性教育，突出學(xué)生的主體地位，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性[16]。學(xué)生多種預(yù)習(xí)方案以及獨(dú)立實(shí)施、優(yōu)化方案，說(shuō)明此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力。

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DesignandPracticeofExperimentalProjectinDigitalLogicCircuit

WANGXingang，HELi，ZHANGDongzhi，JIANGWencong，RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Control circuit design for automobile tail light was proposed as a high-quality experimental project for integrating the digital logic circuit part in the courses of electrical and electronics. The project was performed through theoretical teaching and experimental teaching complements. The experiment preview was completed as a complicated theoretical homework and team cooperation was used to ensure a good learning effect. The related experiment was designed and done by the student independently, and the corresponding experimental duration was increased from two hours to four hours in order to guarantee the students have sufficient time to analyze, solve and optimize the experimental problems. From the various design, troubleshooting and optimization completed by the students, this project is beneficial to cultivate the ability of solving problems using the mastered knowledge and improves the students’ engineering practical ability.

digital logic circuit； automobile tail light control circuit； high-quality experimental project； experiment preview； engineering practice ability

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0175-04

2016-10-08

山東省教學(xué)改革研究項(xiàng)目(B2016M007)；山東省重點(diǎn)教改項(xiàng)目(2015Z025)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教改項(xiàng)目(JS201406)

王心剛(1969-) ，男，山東高密人，學(xué)士，副教授，研究方向電氣控制及自動(dòng)化。Tel.：18266639970；E-mail: wxg7038@ sina.com